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Wie man eine Wolframcarbid-Beschichtungsmaschine macht

Geben Sie Ihre E-Mail-Adresse in das unten stehende Feld ein, um Neuigkeiten und Aktualisierungen zu Veröffentlichungen für Fortschritte in den Materialwissenschaften und -techniken zu erhalten. Dies ist ein Open-Access-Artikel, der unter der Creative Commons Attribution License vertrieben wird und die uneingeschränkte Verwendung, Verbreitung und Reproduktion auf jedem Medium ermöglicht, sofern das Originalwerk ordnungsgemäß zitiert wird. Es wurden Versuche mit variablen Zuführ- und Sprühabständen durchgeführt. Dünnere Beschichtungen wurden auf Kohlenstoffstahlsubstraten und dickere Beschichtungen auf Edelstahlsubstraten abgeschieden, um verschiedene Kühlbedingungen zu vergleichen.

Die Mikrohärte wurde an polierten Querschnitten gemessen. Das Hauptaugenmerk der Untersuchung lag auf der Verschleißfestigkeit sowohl unter trockenen als auch unter nassen Bedingungen. Der Einfluss der Sprühparameter auf die Verschleißleistung der Beschichtung wurde beobachtet. Die Ergebnisse mechanischer Tests wurden im Zusammenhang mit Änderungen der Phasenzusammensetzung und der Qualität der Mikrostruktur der Beschichtung diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass zur Erzielung der bestmöglichen WC-17Co-Beschichtung mit WSP-Verfahren unter dem Gesichtspunkt der Verschleißfestigkeit die gewünschte Parameterkombination eine lange Zuführstrecke in Kombination mit einer kurzen Sprühstrecke ist.

Materialien auf Wolframcarbid-Kobalt-WC-Co-Basis werden in der Industrie in ihren gesinterten und thermisch gesprühten Formen in großem Umfang für Anwendungen verwendet, die Abrieb-, Gleit-, Passungs- und Erosionsbeständigkeit erfordern. Die harten WC-Partikel bilden den Hauptverschleißbestandteil dieser Materialien, während das Kobaltbindemittel für Zähigkeit und Kohäsion sorgt. Eigenschaften wie Härte, Verschleißfestigkeit und Festigkeit werden hauptsächlich durch die WC-Korngröße und den Volumenanteil sowie bei thermisch gespritzten Beschichtungen auch durch Variation der Porosität und häufig unbeabsichtigt der Zusammensetzung der Carbid- und Bindemittelphase beeinflusst [1].

Der Massenverarbeitungsweg kann kostspielig sein und beschränkt sich auf die Herstellung relativ kleiner Komponenten. Glücklicherweise sind jedoch für viele Verschleißanwendungen nur die Kontaktoberflächeneigenschaften wichtig, um die Verschleißfestigkeit der Komponenten zu bestimmen.

Daher weist die Verwendung einer Beschichtungstechnik, wie beispielsweise des thermischen Spritzens, mehrere attraktive Merkmale zur Herstellung verschleißfester Bauteile auf [2]. Trotz der Tatsache, dass es unten metastabil ist, ist es in WC-Co häufig vorhanden, selbst nach langsamer Abkühlung. Die metastabile Phase oder wird jedoch nur bei Raumtemperatur gefunden, wenn das Material schnell abgeschreckt wurde.

Es wird erwartet, dass die Entkohlung eines Pulverteilchens wie folgt abläuft [3]. Das Kobalt schmilzt und WC löst sich bei steigender Temperatur in der Flüssigkeit auf. Die Abreicherung von Kohlenstoff aus der Schmelze wird somit auf einen Hüllenbereich beschränkt, dessen Tiefe vom Transport von Kohlenstoff, Sauerstoff und der Reaktionskinetik abhängt. Die lokale Entfernung von Kohlenstoff aus der Schmelze führt jedoch zu einer weiteren Auflösung der WC-Körner in diesem Schalenbereich, wenn das System versucht, das lokale Gleichgewicht an der Grenzfläche zwischen WC und Schmelze wiederherzustellen.

Die Entkohlung selbst ist auch mit der Auflösung von W und C in der Co-Matrix verbunden. Wenn ein WC-Co-Pulverteilchen in das heiße Gas eintritt, steigt seine Temperatur und die Co-Phase beginnt nach relativ kurzer Zeit zu schmelzen. Reines Co schmilzt [3]. Sobald das Co geschmolzen ist, beginnt sich WC schnell darin aufzulösen und kann sich bei ungefähr W und C auflösen.

Wenn sich die Temperatur eines Partikels weiter erhöht, löst sich außerdem mehr WC auf. Die wichtigsten resultierenden mikrostrukturellen Merkmale sind [3].

Die oben erwähnte Hypothese basierte auf einer Untersuchung von HVOF-Beschichtungen. Beim atmosphärischen Plasmaspritzen ist umso mehr WC-Entkohlung und Reaktion mit der Bindemittelphase zu erwarten, je höher die Enthalpie des Plasmagases ist, da mehr Wärmeenergie zur Verfügung steht, um den Prozess voranzutreiben [1].

Diese Gefahr ist besonders hoch bei der wasserstabilisierten Plasmakanone WSP, die eine hohe Plasmaenthalpie und Austrittstemperatur aufweist [4]. Es wird auch angenommen, dass das Vorhandensein von Sauerstoff in APS die Keimbildung von Oxycarbiden [5] in einer beträchtlichen Menge fördert, was für die Verschleißfestigkeit unerwünscht ist. Die Entkohlung von WC wurde während des Plasmasprühprozesses unter Verwendung einer Ni-beschichteten Partikeloberfläche deutlich reduziert [6 - 8].

Darüber hinaus bestehen die beiden Hauptunterschiede zwischen Kobalt- und Nickelbindemittelphasen darin, dass i Nickel wesentlich korrosionsbeständiger als Kobalt ist und ii ein stabiles f ist. Es ist zu beachten, dass der Entkohlungsgrad der mit einer Sprengpistole besprühten WC-Co-Beschichtung viel niedriger ist als bei anderen thermischen Spritztechniken [5].

Neben thermischen Spannungen und Abschreckspannungen können Restspannungen in HVOF-Beschichtungen auch auf Strahlspannungen zurückzuführen sein, die aufgrund der kinetischen Energie der auf das Substrat oder das zuvor abgeschiedene Material auftreffenden Partikel entstehen [11]. Dieses Phänomen ist beim Plasmaspritzen mit deutlich niedrigeren Partikelgeschwindigkeiten nicht so gefährlich. In den meisten Fällen ist der Einfluss des Strahlstresses jedoch nicht so stark, dass HVOF weniger prospektiv ist als Plasmaspritzen.

Es kann beobachtet werden, dass Kobalt durch Röntgenbeugung nicht oft nachgewiesen wird [1]. Teilweise liegt der Grund darin, dass in plasmagesprühten Beschichtungen signifikant große Mengen amorpher Phasen vorhanden sind.

Die Abriebfestigkeit von Cermets auf WC-Basis ist in einer ersten Größenordnung eine Funktion der Härte einer Oberfläche und der Kohäsion der Sprühpartikel in der Schicht [6]. Agglomerierte Pulver werden manchmal zur Verringerung der Abplatzung verwendet [12], was auch mit der Sprödigkeit bestimmter Strukturkomponenten verbunden ist.

Die Laserbeschichtung von WC-Ni-Verbundwerkstoffen wurde auf Verschleißanwendung getestet [13]. Ziel dieser Arbeit war es, Phänomene zu untersuchen, die beim Versprühen von Pulvern auf WC-Basis mit WSP-Geräten auftreten, und die resultierenden Beschichtungen zu charakterisieren.

Das WSP-System verwendet Wasser anstelle von Gas, um thermisches Plasma zu erzeugen. Ein Wasserwirbel wird in einer plasmabildenden Kammer um den Lichtbogen erzeugt, der zwischen der verbrauchbaren Graphitkathode und der rotierenden externen Anode brennt.

Dieses Design schreibt eine externe Fütterung vor. Die Lichtbogenleistung betrug 153. Das Pulver wurde von zwei Injektoren in den Plasmastrahl eingespeist und durch Ar-Gas mit Durchflussrate 3 eingedrückt. Die Substrate wurden in allen Fällen vorgewärmt.

Dünnere Beschichtungen 0. Die Abkühlgeschwindigkeit ist niedrig für dicke Beschichtungen auf WC-Basis auf Edelstahl mit niedriger Leitfähigkeit und einer Wärmeleitfähigkeit, die ungefähr viermal niedriger ist als bei Kohlenstoffstahl. Alle Substrate wurden vor dem Sprühen sandgestrahlt. Die maximale Temperatur, die während des Sprühens gemessen wurde, war im Fall von Kohlenstoffstahlsubstraten und im Fall von Edelstahlsubstraten.

Das Beispiel einer Temperaturentwicklung beim Sprühen von WC-8Co ist in 1 angegeben. Die Pulvergrößenverteilung wurde mit der Laserstreuungsvorrichtung Analysette 22 Fritsch, Deutschland in bestimmt. Winkel 2 Theta von 10 bis wurde mit Schritt aufgezeichnet. Die Porosität wurde durch Lichtmikroskopie an polierten Querschnitten untersucht. Es wurden mindestens 10 Bilder von Mikrostrukturen analysiert, die aus verschiedenen Bereichen eines Querschnitts für jede Probe aufgenommen wurden.

Die verwendete Vergrößerung betrug in allen Fällen 250, was eine Analyse aller Objekte mit einer Größe von 3 Mikrometern oder mehr ermöglichte. Zur besseren Beschreibung der Größenverteilung von FFP-Freiflugpartikeln, die durch Platzieren eines mit Ar gefüllten Behälters anstelle eines Substrats gesammelt wurden, wurden bestimmte zusätzliche Kriterien eingeführt.

Für jede Probe wurden 20 Vertiefungen aus verschiedenen Bereichen eines Querschnitts analysiert. Die Hauptmodifikation beinhaltet die Tatsache, dass ASTM die Verwendung einer Referenzprobe betont, bei der es sich um eine Massenlegierung handelt, die auf den Vergleich mit Massenmetallen und nicht mit Cermet-Beschichtungen abzielt. Die aufgebrachte Kraft betrug 22. Die Genauigkeit der Messung ist ungefähr.

Neben dem grundlegenden SAR-Test wurde auch die Reaktion von Proben auf verschiedene Partikelgrößen des Schleifmittels getestet. Es wurden zwei verschiedene Größen von Aluminiumoxid-Schleifpulver verwendet. Der Hauptgrund für die ausgewählten Größen war die Tatsache, dass die feinen Pulverteilchen in Bezug auf beide Aluminiumoxidpulver P1 und P2 kleiner als die Splatgröße der Beschichtung sind; Partikel sind in Bezug auf Granatpulver P3 deutlich größer als Splats.

Aluminiumoxidpulver mit einer mit P3 vergleichbaren Größe ist jedoch zu aggressiv, um insbesondere bei relativ dünnen Beschichtungen gut nachweisbare Ergebnisse zu erzielen. Dies war der Grund, etwas schwächeres Granatpulver zu bevorzugen. Die Modifikationen der ASTM-Vorschriften betrafen nämlich die Schleifpartikelgröße und die Kautschukhärte.

Das Schleifmittel wurde zwischen der beschichteten Probe und dem rotierenden Gummirad zugeführt. Alle Beschichtungsgewichtsverluste wurden durch Anwenden von Dichten, die nach der archimedischen Methode gemessen wurden, in Volumenverluste umgewandelt - ungefähr 13.

Die Genauigkeit der Messung ist ungefähr. Die Größenverteilung des WC-17Co-Pulvers, das für die meisten Experimente verwendet wurde, ist in 2 zusammen mit dem Mikrofotographen dargestellt. Der Pulverherstellungsweg war Sintern mit anschließendem Zerkleinern, wodurch die nicht konvexe Oberfläche und auch die längliche Form erzeugt wurden. Darüber hinaus sind einige Partikel länglich (Abbildung 2 b) und daher ist ihre tatsächliche Größe deutlich größer als die entsprechende Maschengröße.

Die Bildanalyse der FFPs der Freiflugpartikel hat ein erhebliches Schmelzen des FFP ergeben, das sich in der Kugelform erstarrter Tröpfchen manifestiert. Die Sphäroidisierung wird durch IA auf 2D-Projektionen als Zirkularität erfasst, siehe Abbildung 3 a.

Der Unterschied zwischen Proben, die mit verschiedenen FD besprüht wurden, ist vernachlässigbar. Die Größenverringerung der Partikel im Plasma betrug etwa 10 Prozent, basierend auf dem IA-Ergebnisparameter ED. Auch eine Verdunstung während des Fluges würde nicht stattfinden. Für industrielle Anwendungen sind gute, kohärente und gut haftende Beschichtungen wünschenswert.

Eine solche Kombination von Eigenschaften wurde durch unsere Sprühtests nicht erreicht, obwohl viele Informationen über das Verhalten von Materialien auf WC-Basis während des WSP-Prozesses erhalten wurden. Dies impliziert entweder einen echten Carbidverlust während des Sprühens oder das Aufbrechen der größeren scheinbaren WC-Körner in die kleineren [1].

Im Dunkeln i. Der entsprechende Volumenanteil der Carbidphase basierend auf IA-Flächenfraktionsmessungen innerhalb der Beschichtung betrug 69 bis. Die Kombination der Sprühparameter 35–350 wurde aufgrund der großen Rohstoffpulvergröße gewählt. Die Diskrepanz zwischen der nominalen und der realen Maximalgröße wurde oben diskutiert.

Diese Beschichtung zeigte jedoch eine sehr geringe Kohäsion und war nicht in der Lage, Aufschlämmungstests und auch metallographischen Vorbereitungen standzuhalten.

In 5 zeigt die Probe FD 35 auch die stärkste Entkohlung, die sich in einer hohen Spitzenintensität manifestiert. Andere zwei Beschichtungen in 5 zeigen ähnliche Beugungsmuster mit einem ungefähr zentrierten Buckel, der gemäß der Literatur [3, 20] einer amorphen Fraktion entspricht.

Neben WC und wurden auch und Phasen nachgewiesen. Komplexe Carbide sind mit -phase dargestellt und bestimmte Peaks entsprechen auch elementarem Wolfram und Kohlenstoffgraphit. Es gibt keine sehr ausgeprägten Unterschiede zwischen der Beschichtung, die aus FD 70 und FD 85 gesprüht wurde. Die einzige signifikante Änderung besteht darin, dass sie bei FD 85 leichter nachweisbar ist turbulente Strömung, auch diese Zone ist sauerstoffreicher, verantwortlich unter bestimmten Bedingungen für die Oxidation während des Fluges.

Der Charakter des Musters und der wichtigsten detektierten Komponenten unterscheidet sich nicht wesentlich von FD 70 und FD 85, nur der 001-Peak von WC ist bei 115–300 Beschichtung weniger intensiv. Das Vorhandensein von sowie komplexen Carbiden wurde bestätigt. Oxide beider Metalle, W i. Alle WSP-gesprühten Beschichtungen auf WC-Basis sind ziemlich porös, siehe Abbildung 8, obwohl das Substrat gut wärmeleitender Kohlenstoffstahl oder weniger wärmeleitender Edelstahl war.

Die allgemeinen Trends waren, dass eine kleinere SD zu einer etwas höheren Porosität führt, die Poren jedoch kleiner, kugelförmiger und weniger miteinander verbunden sind, was für die Beschichtungsintegrität vorteilhaft ist und die Verschleißfestigkeit beeinflusst.

Ni-beschichtete WC-Beschichtungen wurden verwendet, um das Auftreten von Phasen mit Kohlenstoffmangel in plasmagesprühten Beschichtungen zu begrenzen [21]. Unsere XRD-Ergebnisse bestätigen diesen Trend nur teilweise, da Ni nicht auf die WC-Oberfläche im Ausgangsmaterial aufgetragen wurde, aber keine komplexen Carbide wie im Fall von Co-Bindemittel vorhanden sind.

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